8. Передачи винт-гайка скольжения

8.1. Общие сведения о передачах винт-гайка

Передача состоит из винта и гайки (рис. 8.1). Различают пере­дачи скольжения, работающие на движение с трением скольжения, и передачи качения, работающие преимущественно на движение с трением качения. В передачах скольжения используют резьбы различ­ного профиля (рис. 8.1, а). В передачах качения между витками винта и гайки раз­мещены тела качения – ша­рики (рис. 8.1, б).

Рис. 8.1. Передача винт-гайка

Передача винт-гайка слу­жит для преобразования вра­щательного движения в пос­тупательное. При этом вра­щение закрепленной от осе­вых перемещений гайки вызы­вает поступательное переме­щение винта, или вращение закрепленного от осевых перемещений винта приводит к поступательному перемещению гайки.

Возможность преобразования поступательного движения во вращательное в силовых передачах вследствие низкого КПД не ис­пользуют.

Основные геометрические параметры:

передачи скольжения: наружный диаметр d, средний диаметр d₂ и шаг Р резьбы;

передачи качения – номинальный диаметр d₀, т.е. диаметр расположения цен­тров тел качения, шаг Р резьбы и диаметр D_w тел качения.

Достоинства передачи винт-гайка:

• возможность создания больших осевых сил, значительный выигрыш в силе (вследствие клинового действия резьбы);

• возможность получения медленного поступательного перемещения с высокой точностью;

• малые габа­риты при высокой несущей способности.

Недостатками передач скольжения являются повышенные по­тери на трение, изнашивание и низкий КПД. Передачи качения ли­шены этих недостатков, но их конструкция сложнее, а стоимость значительно выше.

Применение. Передачи винт-гайка применяют в станкострое­нии (механизмы подачи), авиастроении (механизмы управления), в точных измерительных приборах (механизмы делительных переме­щений), в приводах нажимных устройств прокатных станов и др.

В качестве ведущего звена в передаче используют как винт, так и гайку.

Кинематика передачи. Скорость поступательного перемеще­ния гайки (винта), м/с:

,

где z – число заходов резьбы; Р – шаг резьбы, мм; п – частота вра­щения винта (гайки), мин ^–1.

Многозаходные резьбы позволяют получить высокую скорость осевых перемещений исполнительных механизмов.

Развиваемая передачей осевая сила F_a (H) связана с вращающим моментом T(Н∙м) зависимостью

,

где η – КПД передачи.

В предварительных расчетах можно принимать: для передачи скольжения η = 0,25 ... 0,35; для передачи качения η = 0,9 ... 0,95.

8.2. Передачи скольжения

Достоинствами передачи винт-гайка скольжения являются плавность и бесшумность работы, простота конструкции и изготов­ления.

Передачи скольжения широко применяют:

• для создания больших осевых сил (прессы, нажимные устрой­ства прокатных станов, разрывные машины, домкраты, тиски `и т.п.);

• для точных перемещений (измерительные приборы, установочные и регулировочные устройства).

Разновидности винтов передачи. Конструктивно винт пред­ставляет собой длинный вал с нарезанной резьбой и гладкими уча­стками под опоры, обычно располагаемыми на концах вала.

В зависимости от назначения передачи винты бывают: – грузовые, применяемые для создания больших осевых сил. Основное применение имеют резьбы с малыми углами γ наклона боковой рабочей поверхности, характеризуемые малыми потерями на трение: трапецеидальные, γ = 15° (рис. 8.2, а); при большой од­носторонней нагрузке – упорные, γ = 3° (рис. 8.2, б). В домкратах для большего выигры­ша в силе и обеспе­чения самоторможе­ния применяют однозаходную резьбу с ма­лым углом ψ подъема (меньшим приведен­ного угла трения ψ);

• ходовые, приме­няемые для переме­щений в механизмах подачи. Для снижения потерь на трение при­меняют преимущественно трапецеидальную многозаходную резьбу;

• установочные, применяемые для точных перемещений и ре­гулировок. Имеют метрическую резьбу.

Рис. 8.2. Резьба трапецеидальная: а – симметричная; б – несимметричная

Гайка передачи скольжения в простейшем случае представляет собой втулку с фланцем для осевого крепления. Для устранения «мертвого» хода вследствие износа резьбы гайки ходовых винтов выполняют в виде двух полугаек, предусматривая возможность их относительного осевого смещения. Для повышения жесткости и точности позиционирования гайки точных передач выполняют из двух полугаек, которые для устране­ния осевого зазора смещают (например, под действием силы пружи­ны, с помощью прокладок или резьбовой пары) одну относительно другой в осевом направлении.

Материалы винта и гайки должны представлять антифрикци­онную пару, т.е. быть износостойкими и иметь малый коэффициент трения. Выбор марки материала зависит от назначения передачи, условий работы и способа обработки резьбы.

Винты изготовляют из сталей марок 50, 40ХГ, У10 и др. В от­ветственных передачах для повышения износостойкости применяют закалку винтов до твердости не менее 45HRC с последующим шли­фованием резьбы.

Гайки ответственных передач изготовляют из оловянных бронз марок БрО10Ф1, БрОбЦбСЗ и др., а в тихоходных слабонагруженных передачах – из антифрикционных чугунов марок АВЧ-1, АКЧ-1 или серого чугуна СЧ20.

КПД передачи скольжения. В передаче винт-гайка скольжения возникают потери в резьбе η_Р и потери в опорах η_оп:

Потери в опорах зависят от конструкции передачи. Так, для хо­довых винтов станков (опоры – подшипники качения) η_оп ≈ 0,98.

Потери в резьбе составляют основную часть.

В соответствии с общим определением: КПД – отношение по­лезной работы к затраченной. Представим, что винт нагружен осевой силой F_α – силой тяжести подвешенного к нему груза. Полезная I работа по подъему груза на один ход резьбы за один оборот винта: (F_α zP). Затраченную работу определяет момент Т_Р сопротивления в резьбе: (Т_Р2π). В соответствии с формулами из раздела «Резьбовые соединения» имеем:

где z – число заходов резьбы; d₂ – средний диаметр резьбы; ψ – угол подъема резьбы; φ₁ – приведенный угол трения: φ₁ = arctg(ƒ/cosy); ƒ– коэффициент трения скольжения (ƒ = 0,1 и ƒ = 0,13 соответственно для бронзовых и чугунных смазываемых гаек); γ – угол наклона рабочей поверхности профиля резьбы (γ = 15°, γ = 3° и γ = 30° соот­ветственно для трапецеидальной, упорной и метрической резьб). Таким образом, КПД резьбы

КПД многозаходных резьб выше в связи с большим углом ψ подъема резьбы. В общем случае для повышения КПД используют различные средства, понижающие трение в резьбе: материалы с антифрикционными свойствами, тщательную обработку деталей и смазывание поверхностей трения.